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原文传递面向钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器研究

论文题名：	面向钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器研究
关键词：	铁路钢轨;缺陷检测;电磁超声换能器;铁磁材料;辐射特性
摘要：	随着高速铁路的快速发展，钢轨的伤损日益增多。目前的探伤技术主要为压电超声检测技术，仅能检测钢轨轨头、轨腰和轨底中心的区域，由于受到轨底复杂结构的影响，无法检测钢轨轨底两侧的缺陷。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)作为一种非接触型超声换能器，能够满足钢轨轨底缺陷的在线检测要求。然而，钢轨等铁磁材料中的EMAT模型不够完整、曲折线圈EMAT的双向辐射特性不利于缺陷检测、钢轨轨底电磁超声导波传播特性并不明确等问题，限制了电磁超声技术在钢轨缺陷检测领域的发展。　　针对铁磁材料中EMAT模型因没有考虑任意磁场下的磁致伸缩和磁化力的影响而导致的模型不完整问题，基于电磁场方程、弹性动力学方程和磁致伸缩本构方程，建立了包含洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩应变的EMAT二维频域有限元模型，为钢轨轨底缺陷检测用EMAT的设计奠定了基础。该模型分析了不同磁场大小和方向对EMAT性能的影响。仿真分析和实验结果表明，针对钢轨中的EMAT来说，水平磁场下EMAT的主要机理是磁致伸缩效应，而垂直磁场下EMAT的主要机理是洛伦兹力机理，以此为基础最终确定了钢轨中的EMAT最佳工作磁场。　　针对钢轨轨底中心缺陷检测用EMAT在非聚焦侧的杂波问题，提出一种单向聚焦型斜入射SV波EMAT(Unidirectional Line-Focusing Shear Vertical Wave EMAT,ULFSV-EMAT)。以线聚焦型电磁超声SV波换能器为基础，结合声场叠加原理，采用两个曲折线圈共同作用，通过控制两个线圈激励电流的相位和幅值，实现了斜入射电磁超声SV波的单向聚焦。通过对比分析四种斜入射SV波EMATs的指向性可知，所设计的ULFSV-EMAT的增强侧和削弱侧的声波位移最大幅值之比为6，具有较好的单向聚焦效果，可用于钢轨轨底中心缺陷的检测。　　针对压电超声技术无法检测钢轨轨底两侧缺陷的不足，提出一种用于钢轨轨底缺陷检测的单向辐射型导波EMAT(Unidirectional Guided Wave EMAT,UG-EMAT)。根据声场叠加原理，首先确定单向辐射型导波EMAT的基本结构；在此基础上，利用特征频率法求取钢轨轨底的类楔形波导频散特性曲线和波结构特性；根据所建立的导波EMAT三维频域有限元模型，分析不同频率下电磁超声导波在钢轨轨底的能量分布，确定了钢轨轨底检测中导波EMAT的最佳工作频率；结合钢轨轨底缺陷检测的实际需求，确定了单向辐射型导波EMAT的主要参数。利用二维傅里叶变换确定了电磁超声导波在钢轨轨底的主要模式及其能量覆盖区域，证明了所设计的导波EMAT可以用于钢轨轨底两侧缺陷的检测。　　为了验证所设计的EMAT对钢轨轨底缺陷的检测能力，建立了钢轨轨底缺陷检测的EMAT有限元模型，分析了钢轨轨底缺陷检测距离和缺陷大小对于EMAT缺陷检测性能的影响。结合钢轨实际探伤需求，开发了基于电磁超声技术的钢轨轨底缺陷检测系统。利用所设计的单向聚焦型斜入射SV波EMAT和单向辐射型导波EMAT分别对钢轨轨底中心和两侧的缺陷进行了检测。实验表明，所设计的EMAT能够实现钢轨轨底不同位置缺陷的有效检测，可以检测的半圆形槽缺陷的最小半径为7.5mm，缺陷的可检测距离为120~600mm。本文研究的钢轨轨底缺陷检测EMAT设计为钢轨轨底的在线检测技术奠定了良好基础。
作者：	苏日亮
专业：	电力电子与电力传动
导师：	王淑娟
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文